JP5596103B2 - 磁石を用いるモータのロータ - Google Patents

Description

本発明は、磁石を用いるモータのロータおよびそのようなロータの製造方法に関する。

特許文献１等に記載されるように、モータのロータは、その周方向および軸方向に複数の磁石を含んでいる。磁石をモータの部品として使用する場合には、磁石の磁束密度が高いほど、モータのギャップ磁束が増えて、モータはより大きいトルクを生じるようになる。ところが、磁石の磁束密度が高いほど、逆起電力も高くなる。このため、通常は、逆起電力に応じて、磁束方向におけるｄ軸電流を流し、それにより、モータ印加電圧を入力電圧以下に低下させる必要がある。そのようなｄ軸電流は一般にオープンループ制御される。逆起電力が変動する場合にはｄ軸電流を無効電流として余分に流す必要があるので、モータ効率が低下する。

特許第4708445号公報

ところで、磁石は、複数の製造業者によって製造されている。従って、磁石の磁束密度は、製造業者に応じてわずかながら異なる。例えば、Ａ社が製造した磁石の磁束密度は１．２７〜１．３３Ｔであり、Ｂ社が製造した磁石の磁束密度は１．３０〜１．３６Ｔであり、Ｃ社が製造した磁石の磁束密度は１．３３〜１．３９Ｔである。

このため、磁束密度の異なる磁石を同一のモータにて使用した場合には、使用された磁石の種類に応じてモータのトルクがバラつくという問題がある。さらに、無効電流を流す必要があるので、モータ効率が低下するという問題もある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、磁束密度の異なる磁石を同一のモータにて使用する場合であっても、トルクがバラつくことのないモータのロータおよびそのようなロータの製造方法を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために１番目の発明によれば、ロータコアと、該ロータコアの周面または該ロータコアの内部に配置された複数の磁石と、を具備し、前記複数の磁石の、前記ロータコアの軸方向におけるそれぞれの長さは、磁石の基準軸方向長さに前記磁石の残留磁束密度を乗算し、前記磁石の基準残留磁束密度で除算することにより決定されるようにした、モータのロータが提供される。
２番目の発明によれば、１番目の発明において、前記各磁石の軸方向長さは前記ロータコアの軸方向長さよりも短いようにした。
３番目の発明によれば、１番目または２番目の発明において、前記複数の磁石がロータコアの内部に配置されている場合には、前記複数の磁石は、前記ロータコアの内部に軸方向に形成された複数の磁石保持穴に保持されており、前記複数の磁石のそれぞれと前記磁石保持穴の間の隙間に充填された樹脂により前記磁石が固定されており、前記複数の磁石の軸方向長さに応じて前記樹脂の充填量が異なるようにした。
４番目の発明によれば、３番目の発明において、前記ロータコアの軸方向において、前記複数の磁石の一端が前記磁石保持穴の一端に位置決めされており、前記複数の磁石の他端と前記磁石保持穴の他端との間に前記樹脂が充填されている。
５番目の発明によれば、前記ロータコアの内部に軸方向に形成された複数の磁石保持穴に前記複数の磁石のそれぞれを配置し、前記磁石保持穴と前記磁石のそれぞれの隙間に樹脂を充填して前記磁石のそれぞれを固定し、前記樹脂の充填量は、前記磁石のそれぞれの軸方向長さに応じて異なるようにした、１番目から４番目のいずれかのロータの製造方法が提供される。
６番目の発明によれば、５番目の発明において、さらに、前記ロータコアの軸方向において、前記複数の磁石の一端を前記磁石保持穴の一端に位置決めすることを含み、前記樹脂は前記複数の磁石の他端と前記磁石保持穴の他端との間に充填されるようにした。

本発明においては、各磁石の軸方向長さは磁石の磁束密度に応じて定まるようにしている。具体的には、各磁石の軸方向長さは、磁石の基準軸方向長さに磁石の残留磁束密度（交換後磁石の磁束密度）を乗算し、磁石の基準残留磁束密度（交換前磁石の磁束密度）で除算することにより決定している。従って、磁石の軸方向長さを適切に定めることができ、トルクがモータに応じてバラつくのを避けることができる。

本発明の第一の実施形態に基づくロータの斜視図である。 図１Ａに示されるロータの一つの磁石を示す図である。 本発明の第二の実施形態に基づくロータの斜視図である。 図２Ａに示されるロータの一つの磁石を示す図である。 ロータの軸方向における部分断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同様の部材には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。
図１Ａは本発明の第一の実施形態に基づくロータの斜視図であり、図１Ｂは図１Ａに示されるロータの一つの磁石を示す図である。図１Ａに示される電動機のロータ１０は、導電性の電磁鋼板、鉄、アルミ、圧紛鉄心などの材料から形成されたロータコア１１を含んでいる。ロータコア１１は、シャフト１５の外周面に圧入、焼き嵌め等により嵌合され、シャフト１５と一体に回転する。

図１Ａに示されるように、ロータコア１１の外周面には、複数、図１Ａでは四つの磁石１４ａが周方向に貼付けられている。そして、軸方向には、さらに四つの磁石１４ｂが四つの磁石１４ａからロータコア１１の軸方向に離間してロータコア１１の外周面に同様に貼付けられている。

図１Ａに示されるように、一組の磁石１４ａと磁石１４ｂとがロータコア１１の軸方向に離間して配置されている。ここで、磁石１４ａと磁石１４ｂとは、その製造業者が互いに異なり、例えば磁石１４ａはＡ社が作成し、磁石１４ｂはＢ社が作成しているものとする。このため、磁石１４ａ、１４ｂの磁束密度は互いに異なり、磁石１４ａの磁束密度は１．２Ｔであり、磁石Ｂの磁束密度は１．３Ｔであるものとする。なお、ロータコア１１の軸方向に三つ以上の磁石が配置される構成であってもよい。

磁石１４ａ、１４ｂの断面形状は磁気の流れに影響するので、磁石１４ａ、１４ｂの断面形状を変更するのは現実的でない。従って、これら磁石１４ａおよび１４ｂの断面形状および周方向長さは互いに等しくするのが好ましい。これに対し、磁石１４ａ、１４ｂの軸方向長さを変更した場合には、総磁束量が変化するのみであり、磁気の流れ方への影響は小さい。

従って、磁束密度に応じて磁石の軸方向長さを決定するのが好ましい。具体的には、磁石１４ｂの軸方向長さＬｂ（図１Ｂを参照されたい）は、対応する磁石１４ａの軸方向長さＬａと磁石１４ａおよび磁石１４ｂの磁束密度Ｂａ、Ｂｂとを用いて、以下の式（１）で表される。
Ｌｂ＝Ｌａ×（Ｂａ／Ｂｂ） （１）
具体的には、Ｌｂ＝Ｌａ×（１．２／１．３）≒０．９２Ｌａである。なお、磁石１４ａ、１４ｂの磁束密度は、Ａ社およびＢ社のカタログまたは仕様書などから容易に把握できる。

また、磁束漏れを防ぐために、Ｌｂはロータコア１１の軸方向長さ以下である必要がある。言い換えれば、ロータコア１１の軸方向長さは、Ｌｂの上限値である。

このようにして、磁石１４ｂの軸方向長さＬｂを決定した場合には、作成される各電動機について、その総磁束量を容易に統一することができる。一般に電動機の発生トルクは総磁束量に比例する。従って、本発明においては、電動機の発生トルクが電動機に応じてバラつくのを避けることができる。さらに、本発明においては、要求される逆起電力の値を調節することも可能である。

ところで、仮に図１Ａにおける全ての磁石１４ａ、１４ｂが同一の製造業者、例えばＡ社で製造されており共通の磁束密度Ｂａを有するものとする。そして、これら磁石のうち、軸方向位置が互いに等しい四つの磁石１４ｂを、磁束密度の異なる他の磁石、例えばＢ社の磁石へと交換する場合について考える。前述したようにＢ社の磁石の磁束密度はＢｂである。また、Ａ社の磁石の軸方向長さは互いに等しいものとする。

そのような場合には、交換後の磁石１４ｂの軸方向長さＬｂは以下の式（２）で表される。
Ｌｂ＝Ｌｂ０×（Ｂｂ／Ｂａ） （２）
ここで、Ｌｂ０は、交換前に磁石１４ｂの場所に配置されていたＡ社の磁石の軸方向長さである。言い換えれば、式（２）は、以下の式（２）’のように言い換えることができる。
Ｌｂ＝基準軸方向長さ×（交換後磁石の磁束密度／交換前磁石の磁束密度） （２）’
このような場合にも前述したのと同様な効果が得られるのは当業者であれば明らかであろう。なお、基準軸方向長さは、設計的に任意で決められる値である。

図２Ａは本発明の第二の実施形態に基づくロータの斜視図であり、図２Ｂは図２Ａに示されるロータの一つの磁石を示す図である。図２Ａに示されるロータ１０は、いわゆる磁石埋込式（Interior Permanent Magnet, IPM）の電動機に使用されるロータである。

図２Ａに示されるように、ロータコア１１には、その軸方向に延びる複数、図では四つのスロット３０が形成されている。これらスロット３０は周方向に等間隔で形成されており、互いに垂直をなしている。そして、図２Ａから分かるように、スロット３０のそれぞれには、一組の磁石１４ａと磁石１４ｂとが軸方向に離間して配置されている。

磁石１４ａおよび磁石１４ｂをスロット３０のそれぞれに配置した後に、各スロット３０には樹脂が充填される。樹脂は磁石を固定する役目を果たすので、磁石１４ａ、１４ｂはスロット３０内部に保持される。図２Ａに示される磁石埋込式の電動機のロータ１０であっても、前述したように磁石１４ｂの長さ（図２Ｂを参照されたい）を決定できるの当業者であれば容易に分かるであろう。

ところで、図２Ａに示されるロータ１０においては、スロット３０に充填される樹脂の量はスロット３０に充填される磁石１４ａ、１４ｂの軸方向長さに応じて異なる。仮に、図１Ａにおいて、全ての磁石１４ａ、１４ｂが同一の製造業者、例えばＡ社で製造され、それらの軸方向長さは互いに等しいものとする。そして、軸方向位置が互いに等しい四つの磁石１４ｂのうち、一つのみを磁束密度の異なる他の磁石、例えばＢ社の磁石に交換する場合について考える。

そのような場合にも、前述したように磁石１４ｂの長さ（図２Ｂを参照されたい）が決定される。従って、交換された磁石１４ｂが配置されるスロット３０における樹脂の充填量が、他のスロット３０における樹脂の充填量とは異なることとなる。言い換えれば、本発明においては、スロット３０内に配置される磁石１４ａ、１４ｂの長さに応じて樹脂の充填量が変更され、スロット３０のそれぞれに適した量の樹脂が充填される。

図３はロータの軸方向における部分断面図である。図３においては、理解を容易にするために磁石１４ａを省略すると共に、磁石１４ｂのみに対応した形状のロータコア１１が表されている。図３においては、スロット３０の一端３０ａに、磁石１４ｂの一端２５が整列されている。この目的のために、スロット３０の一端３０ａを少なくとも部分的に閉鎖する突き当て治具（図示しない）を用いるのが好ましい。

そして、磁石１４ｂの他端２６とスロット３０の他端３０ｂとの間の隙間に樹脂を充填する。このため、充填される樹脂の量はスロット３０のそれぞれに応じて異なる。従って、スロット３０に配置される磁石１４ｂの軸方向長さが把握できれば、充填される樹脂の量は自動的に定まる。これにより、充填されるべき樹脂の充填量を適切に管理することが可能となる。なお、スロット３０の一端３０ａと磁石１４ｂの一端２５との間に所定の隙間を設ける場合であっても、同様な効果が得られるのは明らかであろう。

１０ ロータ
１１ ロータコア
１４ａ、１４ｂ 磁石
１５ シャフト
２５ 一端
２６ 他端
３０ スロット（磁石保持穴）
３０ａ 一端
３０ｂ 他端

Claims (6)

1. ロータコアと、
   該ロータコアの周面または該ロータコアの内部に配置された複数の磁石と、を具備し、
   前記複数の磁石の、前記ロータコアの軸方向におけるそれぞれの長さは、磁石の基準軸方向長さに前記磁石の残留磁束密度を乗算し、前記磁石の基準残留磁束密度で除算することにより決定されるようにした、モータのロータ。
2. 前記各磁石の軸方向長さは前記ロータコアの軸方向長さよりも短いようにした、請求項１に記載のロータ。
3. 前記複数の磁石がロータコアの内部に配置されている場合には、前記複数の磁石は、前記ロータコアの内部に軸方向に形成された複数の磁石保持穴に保持されており、
   前記複数の磁石のそれぞれと前記磁石保持穴の間の隙間に充填された樹脂により前記磁石が固定されており、
   前記複数の磁石の軸方向長さに応じて前記樹脂の充填量が異なるようにした、請求項１または２に記載のロータ。
4. 前記ロータコアの軸方向において、前記複数の磁石の一端が前記磁石保持穴の一端に位置決めされており、
   前記複数の磁石の他端と前記磁石保持穴の他端との間に前記樹脂が充填されている、請求項３に記載のロータ。
5. 前記ロータコアの内部に軸方向に形成された複数の磁石保持穴に前記複数の磁石のそれぞれを配置し、
   前記磁石保持穴と前記磁石のそれぞれの隙間に樹脂を充填して前記磁石のそれぞれを固定し、
   前記樹脂の充填量は、前記磁石のそれぞれの軸方向長さに応じて異なるようにした、請求項１から４のいずれか一項に記載のロータの製造方法。
6. さらに、前記ロータコアの軸方向において、前記複数の磁石の一端を前記磁石保持穴の一端に位置決めすることを含み、
   前記樹脂は前記複数の磁石の他端と前記磁石保持穴の他端との間に充填されるようにした、請求項５に記載の製造方法。

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